俯冲带橄榄岩及其记录的壳幔相互作用

俯冲过程是板块构造运动的核心过程,而地幔楔作为俯冲系统中连接俯冲盘和仰冲盘的关键构造单元,在地球层圈之间物质循环和能量交换等方面发挥了重要作用.本研究汇总了全球代表性俯冲带橄榄岩(包括俯冲带型蛇绿岩和地幔楔型造山带橄榄岩)的研究现状,并展望未来需要解决的关键科学问题.俯冲带型蛇绿岩地幔单元和地幔楔型造山带橄榄岩分别代表着大洋和大陆俯冲带侵位的地幔岩石,是研究俯冲带壳幔相互作用的关键对象.该相互作用的本质是俯冲板片和地幔楔之间在物理过程主控下发生复杂的化学交换作用.俯冲带型蛇绿岩能够记录从大洋岩石圈产生到俯冲启动直至成熟到消亡等不同阶段复杂的熔-岩和水-岩相互作用、变形变质过程、金属成矿元素富集以及壳幔物质交换等.地幔楔型造山带橄榄岩则反映洋-陆和陆-陆俯冲/碰撞、折返等阶段强烈的变形变质历史,多种性质的熔/流体交代作用(硅酸盐熔体、碳酸盐熔体、含硅酸盐组分的C-H-O流体/超临界流体),以及复杂的壳幔物质循环过程等.利用俯冲带橄榄岩进一步探索壳幔相互作用,需要采用高空间分辨率、高精度的测试方法从微观尺度上约束复杂的化学交代过程和变质变形历史,并与宏观构造的时、空演化相联系.     

西北太平洋俯冲带东北地区壳幔结构研究进展

总结了近年来西北太平洋俯冲前端东北地区地壳的精细结构和上地幔间断面410和660km的研究成果.认为：该区莫霍面深约为30～39km.410km的间断面有30km的深度异常,这种异常是否在过渡带正常或含水相变展布厚度的内,还是于该区俯冲带的后退有关,还需做进一步的研究论证.在中国东北地区,日本海俯冲带向西倾斜,在660km的间断面上近似水平停滞汇集被大多数层析成像、接收函数、波形拟和以及深震研究所认同.然而,俯冲带具体的形式、大小范围,向下渗透到多深以及在局部地区表现的横向不连续性的看法并不一致.由此带来的动力学模式什么力来支撑着停滞的板片,在板片最终下沉到下地幔以前,有多少俯冲的板片能停滞在间断面之上,这些问题都还需要更合理的解释.     

俯冲隧道中的部分熔融和壳幔相互作用:实验岩石学制约

俯冲隧道模型提出,俯冲板片界面相互作用是实现地球表层与内部之间物质和能量交换的基本机制.由于大陆岩石圈与大洋岩石圈在物质组成和状态上的显著差异,其深部物理和化学过程及壳幔相互作用产物必然出现一系列差异.许多实验岩石学研究已经为大洋俯冲隧道中可能发生的硅酸盐和碳酸盐岩石的部分熔融和壳幔相互作用提供了资料.无论是基性还是中酸性硅酸盐岩体系,取决于部分熔融发生的压力或深度,熔体是具有或不具有埃达克岩性质的花岗质熔体.微量CO2即可大幅降低橄榄岩的熔点,所形成的碳酸盐熔体可有效萃取岩石体系中不相容微量元素.这些硅饱和或不饱和熔体均可以在俯冲隧道或地幔深部条件下与地幔楔橄榄岩发生反应,形成复杂的反应过程和产物.但已有的实验结果主要是针对大洋岛弧环境条件而不是大陆俯冲带的环境.因此,高温高压实验需要充分考虑大陆俯冲隧道中板片-地幔界面上各种不同成分地壳及其衍生的熔/流体成分与不同橄榄岩之间的反应,并结合大陆俯冲带岩石部分熔融和壳幔相互作用的地质证据,以阐明大陆俯冲隧道过程中的变质脱水、部分熔融和地幔交代等问题.     

中国大陆上地幔各向异性和壳幔变形模式

近10年来,中国布设的宽频带地震台站大幅度增加.宽频带地震记录中含有大量的剪切波分裂信息,它在揭示中国大陆上地幔的各向异性特征起重要作用.本文对这些台站的远震SKS和(或)SKKS记录,采用最小切向能量的分析方法,确定各台站剪切波分裂的快波偏振方向和延迟时间.此外,还收集了前人在中国大陆及其周边地区的剪切波分裂研究的部分结果,形成拥有1020个剪切波分裂参数对的数据集.这些分裂参数展示了复杂的上地幔各向异性图像.统计分析表明,中国大陆存在较强的上地幔各向异性,平均的剪切波时间延迟为0.95 s,其中西部地区为1.01 s,东部地区为0.92 s.西部地区的各向异性强度略大于东部地区.在大尺度意义下,青藏高原及天山地区,其SKS波分裂和地表变形数据共同支持岩石圈变形模式,即地壳与岩石圈地幔是连贯变形的;东部地区的平均快波偏振方向近似平行于绝对板块运动方向,上地幔各向异性归因于软流圈流动.中部的鄂尔多斯至四川盆地一带为东、西部两种变形模式的过渡带,各向异性结构较为复杂,表现为"化石"各向异性和(或)双层各向异性.印度板块和欧亚板块的碰撞是中国大陆西部上地幔各向异性的主要影响因素,东部地区则与太平洋板块和菲律宾板块向欧亚板块俯冲有关.     

中国大陆壳幔运动耦合作用分析

板块运动是地壳和上地幔变形的主要动力来源之一。因为只有地壳变形能被直接观测到,所以将上地壳变形场与下地壳和上地幔变形场比较是研究壳幔运动耦合作用的主要方法之一。利用中国大陆GPS观测结果,结合第四纪活动断层和由20世纪以来发生的地震资料反演获得的地球表层的水平应变率场,并将相关结果与Pn波各向异性及剪切波分裂的快波方向相比较,探讨中国大陆壳幔运动耦合作用。结果发现,总体来看活动性强的构造单元,其深部上地幔塑性剪切带的展布与上地壳脆性剪切带的方位有较大的差异;反之,活动性弱的构造单元,差异较小。活动构造单元其上地壳与下地壳—上地幔之间构造变形活动差异较大的原因,可能是在这个部位上、下地壳之间构造活动有一定程度的解耦,使下地壳以上部分的活动与其下“大地幔流”的运动趋势发生差异,从而产生构造应变能积累     

大陆克拉通壳幔结构及其形成演化

大陆克拉通能够避免遭受后期板块俯冲、对流侵蚀等构造作用的改造而长期稳定存在,与其岩石圈根独一无二的物质组成和结构密不可分.对大陆克拉通壳幔结构与形成演化机制进行研究,是认识演化中的地球及其动力系统的有效途径.本文从地震学、热学、岩石地球化学等几个方面对大陆克拉通壳幔结构研究进展进行了总结与分析,并对有关大陆克拉通形成的...     

俯冲带中的洋壳在中国东北上地幔底部分离的地震学证据

中国东北西太平洋俯冲带位于欧亚板块与西太平洋板块的交界部位,西太平洋板块的俯冲运动从日本海沟开始一直延伸到了中国东北地区.层析成像(Gudmundsson & Sambridge,1998;Huang & zhao,2006)结果表明,西太平洋板块和该区域'660'的相互作用,导致了该区域上地幔结构的复杂性.     

大陆地壳和上地幔的地震学

引言在过去的四年里,对于美国大陆地壳及下地壳岩石层的地震学研究比过去任何同期内完成得都多,而且不断增长的研究活动大概会持续数年。几种趋势说明了这种现象。首先,最初由美国大陆反射剖面合作集团(COCORP)的研究结果(Brown and others,1986),后来又由英国反射剖面研究协会(BIRPS)的研究结果(Matthews and Cheadle,1986)所引起的对地震反射研究的兴趣已经导致了几项其它地震反射计划的制定。这些最有效的研究计划有:怀俄明大学(Smithson and others,1986)、弗吉尼亚工业学院(Virginia PolytechnicInstitute)、美国西南部地壳构造研究加州各大学联合体(CALCRUST,Henyey,1986)和美国地质调查局(Hamilton,1986)的计划。     

俯冲带浅壳和上地幔地震竖向位移谱阻尼修正系数模型

基于日本K-NET和KiK-net强震台网获取的7635条浅壳和上地幔地震记录的统计分析,考虑阻尼比,谱周期点及场地类别的影响,采用最小二乘法建立竖向位移谱阻尼修正系数模型,并通过随机效应模型分离出模型残差及其标准差,探究各参数对模型随机误差的影响。研究表明:采用一个简单的阻尼比对数的二次式能很好的模拟阻尼比的影响;模型事件间残差与震级显著相关,事件内残差与震源距离的相关性较大;在周期0.6 s前,震源效应引起的随机误差小于其他效应引起的随机误差,但0.6 s后,场地效应引起的随机误差较其他效应引起的随机误差小;在整个周期上,路径效应与其他效应引起的随机误差占比大。文中的研究结果可直接用于调整不考虑震源及震源距的设计反应谱。     

大陆俯冲带弹性板块厚度的变化

通过对欧洲、亚洲和美洲俯冲形成造山带地区的15个弹性岩石圈厚度可靠地估计后,我们认为大陆岩石圈的强度作为深度的函数与大洋岩石圈显著不同。大陆岩石圈的强度可比所预计的、具有相同热年代的大洋岩石圈的强度高得多或低得多,这取决于岩石圈的应力状态。我们认为这是两种效应相互作用的结果。对一亿年以上的大陆板块来说,大陆下面的热板块越厚,其弹塑性转变点就越深,并且由于大陆地壳的塑性蠕变激活能低,导致上部弹性岩石圈在很高的扭曲应力作用下大规模破裂。若年龄为10亿年的岩石圈弹性板块的厚度为100km,则热板块的厚度至少为250km。在高应力状态下弹性板块变薄的程度与下地壳中包含塑性带的简单屈服包络线的计算结果相一致,大陆物质的屈服强度低,表明有效弹性板块的     

中国大陆地壳和上地幔三维温度场

根据Goes等发展的方法, 利用层析成像提供的S 波波速计算得到了中国大陆上地幔三维温度场, 所得到的上地幔温度场的1300℃绝热等温温度深度与地震学低速带顶部的深度大体吻合. 用计算的上地幔80 km深度温度和地表温度作为边界约束条件, 利用稳态热传导模型计算得到了中国大陆80 km深度以上(地壳和上地幔)部分的三维温度场. 在大多数有丰富可靠地表热流测量的地区, 这样计算的地表热流与实际观测地表热流的偏差在地表热流观测误差范围之内. 中国大陆地壳的温度在25 km深度呈现明显的东高西低分布. 东部温度约在500~600℃度之间; 西部温度小于500℃, 塔里木克拉通的温度最低、达460℃. 100 km 深度的上地幔温度也呈东高西低分布. 东部和东南部温度普遍高于1300℃绝热等温温度; 西部主体温度低于1300℃绝热等温温度. 塔里木克拉通和四川盆地表现出了明显的低温. 在150 km深度, 华南、扬子克拉通东部和整个华北克拉通高于1300℃绝热等温温度, 羌塘附近地区的温度也达到了1300℃绝热等温温度. 四川盆地附近表现出低温状态, 但塔里木克拉通中心的温度比周围高. 印度次大陆与中国大陆碰撞带附近的温度最低. 200 km 深度的温度分布明显与印度次大陆俯冲相关. 该俯冲带影响强烈地区呈现较冷状态, 其温度低于1300℃的绝热等温温度.     

俯冲带浅壳和上地幔地震水平向位移谱阻尼修正系数模型研究

考虑场地条件的影响,采用固定效应方法对日本K-NET和KiK-Net强震台网获取的6466条浅壳和上地幔地震记录的统计分析,建立水平向位移谱阻尼修正系数模型.该模型基于13个阻尼比和36个谱周期,使用随机效应模型分离出残差及其对应标准差,用来评估地震动参数对模型的影响.研究表明:以阻尼比对数值为自变量的简单二次函数可以...     

苏门答腊俯冲带地区壳内密度结构研究

俯冲带上覆板片密度特征是认识俯冲及其引发深部岩浆过程的一个窗口.本文以苏门答腊俯冲带空间重力异常数据为基础,在2.5D密度结构剖面约束下,通过3D密度反演,获得了研究区3D密度结构分布.反演结果表明,俯冲板片角度和下倾极限深度均从研究区西北向东南方向逐渐增加;研究区上覆板片下地壳存在低密度异常,主要集中在东南部,分布范围也随深度而增加.分析认为这有可能是俯冲引发的洋壳脱水对上覆板片下地壳侵染所造成.此外,研究区东南部存在的地幔板片撕裂可能是造成该区下地壳低密度异常最为显著的另一个原因.3D密度切片揭示出下地壳密度异常具有沿NE方向延伸迹象,推断应与印澳板块在苏门答腊地区的斜向俯冲作用有关.本文还对研究区的地震分布特征进行了讨论.大部分的浅源地震集中在下倾极限附近,为脆性破裂或摩擦滑移所引发.震源深度大于200 km的地震基本分布在研究区中部和东南部,震源深度从西北向东南方向逐渐加大,这从另一角度为研究区东南部地幔存在板片撕裂的观点提供了佐证.

     

中国大陆壳幔结构研究的进展与展望

对地球壳幔结构的研究是地震学的一个经典课题。在所有研究地球内部结构的地球物理方法中，地震波方法是最有效、最精确的一种工具。文章介绍了中国大陆壳幔结构研究的进展和展望。     

太行山构造带壳幔结构分段性特征

分别利用纯S波波形反演和T函数法计算了太行山构造带及其邻近地区100km以上的壳幔剪切波速度结构,结果显示太行山构造带在南、中、北段的壳幔结构存在明显差异。南段邢台邯郸地区地壳中比较突出的特点是下地壳存在一个厚度近10km的低速层;中段石家庄—保定地区靠近山脉的各台地壳结构相对比较稳定,越向盆地区发展,结构愈加复杂化;北段到达北京地区,由于该区是太行山与燕山构造带的交汇地区,中下地壳出现薄高低速转换层位,呈现不稳定状态。沿太行山构造带东缘是地震活动带-河北平原地震带,通过对比速度结构与地震空间分布,发现不同区段小震分布特点与地下低速或不稳定结构关系密切。结合该区域上地幔速度结构特征,认为太行山中段与华北地区中新生代以来的岩石圈大规模减薄运动关系密切,而南北两段当前地幔物质比较活跃,构造运动相对更为强烈。     

利用地下流体氦同位素比值估算大陆壳幔热流比例

地下流体中的氦同位素 3He来自地幔的排气作用 ,4He则是铀、钍衰变的产物 .由于铀、钍元素在大陆地壳中富集 ,4He通量与地壳热流呈正相关关系 ;同时 3He通量与地幔热流之间呈正相关 .所以地下流体的氦同位素比值 （3He / 4 He）与大陆壳幔热流比值 （qc/qm）呈反相关关系 .根据欧亚大陆和加拿大地盾的地下流体氦同位素比值数据和相应的壳幔热流比值数据 ,统计出 qc/ qm 与 3He / 4 He之间的回归关系 :qc/ qm =0 81 5— 0 30 0ln（3He / 4 He） ;此处 3He/ 4 He的单位是RA（大气的 3He/ 4 He比值 ） .有了地表热流值和壳幔热流比值即可得到地壳热流和地幔热流 .利用该公式以及热流值估算了中国主要盆地的壳幔热流值 ;根据这些数值得出的热岩石圈厚度和地壳平均生热率结果与地震学研究成果一致 .氦同位素比值是区分大陆热流中地壳热流值和地幔热流值的有用参数 .     

利用地下流体氦同位素比值估算大陆壳幔热流比例

地下流体中的氦同位素 3He来自地幔的排气作用 ,4He则是铀、钍衰变的产物 .由于铀、钍元素在大陆地壳中富集 ,4He通量与地壳热流呈正相关关系 ;同时 3He通量与地幔热流之间呈正相关 .所以地下流体的氦同位素比值 （3He / 4 He）与大陆壳幔热流比值 （qc/qm）呈反相关关系 .根据欧亚大陆和加拿大地盾的地下流体氦同位素比值数据和相应的壳幔热流比值数据 ,统计出 qc/ qm 与 3He / 4 He之间的回归关系 :qc/ qm =0 81 5- 0 30 0ln（3He / 4 He） ;此处 3He/ 4 He的单位是RA（大气的 3He/ 4 He比值 ） .有了地表热流值和壳幔热流比值即可得到地壳热流和地幔热流 .利用该公式以及热流值估算了中国主要盆地的壳幔热流值 ;根据这些数值得出的热岩石圈厚度和地壳平均生热率结果与地震学研究成果一致 .氦同位素比值是区分大陆热流中地壳热流值和地幔热流值的有用参数 .     

西北太平洋板块边缘俯冲特征：来自堪察加壳幔速度成像的约束

堪察加半岛位于太平洋板块的西北边缘处。太平洋板块沿堪察加海沟俯冲进入地幔,而在板块边缘处,其俯冲特征是否有不同？本研究从IRIS网站下载76个固定台站记录到的来自2 239个近震事件和75个远震事件的77 141条P波到时数据,利用近震-远震联合层析成像方法（TOMOG3D）获得堪察加地区壳幔内的三维P波速度结构。成像结果显示,研究区域下方上地幔内存在非常明显的高速异常块体,且与深源地震的空间分布高度一致。分析认为,该高速异常体为俯冲的西太平洋板块,俯冲角度和深度沿堪察加海沟由北向南均逐渐增加。地幔过渡带和下地幔顶部存在明显的高速异常块体,可能是因为堪察加半岛下方的太平洋俯冲板块在边缘或深部发生岩石圈熔融或拆沉现象,该高速异常块体即为拆沉的岩石圈。本文的成像结果中还可清晰地观察到2个板块窗口。堪察加地区浅部火山前线下方出现大范围的低速异常,可能是由于俯冲板块脱水或流经板块窗口的地幔流热物质导致。     

中国东南大陆中、新生代岩浆作用与壳幔演化动力学

本文论述了中国东南大陆中、新生代岩浆作用的多旋回性和迁移性,构造演化与岩石系列和岩石组合的关系。前寒武纪岩石圈制约本区中、新生代岩浆作用和成矿作用,并在三种岩石围岩石学一地球物理综合模型中反映。总结了四个主要构造期岩浆作用源区特征和构造背景,并根据不同大地构造单元在碰撞造山后近南北向刊近北东向伸展裂解,从造山带挤压碰撞向伸展裂解机制转换过程探讨了中、新生代岩浆作用和壳幔演化动力学。